JPH10106593A - Solid high molecular fuel cell, operating method thereof, and solid high molecular fuel cell system - Google Patents

Solid high molecular fuel cell, operating method thereof, and solid high molecular fuel cell system

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JPH10106593A
JPH10106593A JP8259774A JP25977496A JPH10106593A JP H10106593 A JPH10106593 A JP H10106593A JP 8259774 A JP8259774 A JP 8259774A JP 25977496 A JP25977496 A JP 25977496A JP H10106593 A JPH10106593 A JP H10106593A
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Japan
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gas
fuel cell
water
anode
cathode
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JP8259774A
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Japanese (ja)
Inventor
Ryuji Hatayama
龍次 畑山
Katsuya Oda
勝也 小田
Yukinori Akiyama
幸徳 秋山
Takahiro Isono
隆博 礒野
Akira Hamada
陽 濱田
Yasuo Miyake
泰夫 三宅
Masataka Kadowaki
正天 門脇
Shunsuke Taniguchi
俊輔 谷口
Toru Nakaoka
透 中岡
Minoru Kaneko
実 金子
Koji Yasuo
耕司 安尾
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To facilitate the control of moisturizing temperature by specifying thickness of an electrolyte film of a solid high molecular type fuel cell. SOLUTION: An electrolyte membrane 11 is a rectangular ion exchange membrane, in which the reinforcing agent having sulfuric group is blended, is provided with four circular through holes, which form an inner manifold for supplying and discharging reacting gas, at four corners of a peripheral part thereof. A through hole, which forms an inner manifold for supplying and discharging cooling water, is provided at a central part of the peripheral part. Thickness of the electrolyte membrane 11 is set at 3-40 micron, desirably, at 5-40 micron, because in the case where the membrane thickness exceeds 40 micron, dependency if unit cell voltage in relation to the moisturizing temperature increases, and lowering of unit cell voltage due to the lowering of moisturizing temperature increases, and in the case where membrane thickness is less than 3 micron, the electrolyte membrane 11 is hard to be handled at the time of assembling a battery, and in the case where membrane thickness is less than 5 micron, gas cross leak increases.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池に関し、殊に電池運転時に固体高分子膜を湿潤する
技術の改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to an improvement in a technique for wetting a polymer membrane during cell operation.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜
からなる電解質膜の一方の側にカソードが配され他方の
側にアノードが配されたセルと、リブ及びガスチャネル
が形成されたセパレータ板とが交互に複数枚積層された
構成をしている。そして、カソードにカソードガス(空
気等の酸化剤ガス)をアノードにアノードガス(水素リ
ッチな燃料ガス)をそれぞれ供給し、両ガスを電気化学
反応させることにより発電するようになっている。この
電気化学反応は、アノードガスの水素が水素イオンとな
り、電解質膜の内部をアノード側からカソード側への移
動を伴うものであり、この水素イオンの伝導性が高い
程、単セル当たりの出力電圧を大きくすることができ
る。従って、電解質膜の素材や膜厚を選定する際におい
て、このイオン伝導性を考慮すると共に、セル積層時の
荷重や、反応ガスの差圧或は酸化還元反応等による膜自
体の物理的,化学的損傷が生じないようにすること等も
考慮して、従来は、例えばナフィオン(米国デュポン社
の商品名)のように強陽イオン交換基を有する素材から
なる膜厚が100μm前後のイオン交換膜が主に採用さ
れていた。
2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell has a cell in which a cathode is arranged on one side of an electrolyte membrane composed of a polymer electrolyte membrane and an anode is arranged on the other side, and ribs and gas channels are formed. It has a configuration in which a plurality of separator plates are alternately stacked. Then, a cathode gas (an oxidizing gas such as air) is supplied to a cathode, and an anode gas (a hydrogen-rich fuel gas) is supplied to an anode, and power is generated by causing an electrochemical reaction between the two gases. In this electrochemical reaction, hydrogen in the anode gas is converted into hydrogen ions, and the inside of the electrolyte membrane moves from the anode side to the cathode side. As the conductivity of the hydrogen ions increases, the output voltage per unit cell increases. Can be increased. Therefore, when selecting the material and film thickness of the electrolyte membrane, this ion conductivity is taken into consideration, and the load during cell lamination, the pressure difference of the reaction gas, or the physical and chemical Conventionally, in consideration of preventing mechanical damage, an ion exchange membrane having a film thickness of about 100 μm made of a material having a strong cation exchange group such as Nafion (trade name of DuPont, USA) is conventionally used. Was mainly adopted.

【0003】このような固体高分子型燃料電池では、電
解質膜が乾燥するとイオン伝導性が低下するので、運転
時には電解質膜の湿潤状態を保つように、アノードガス
又はカソードガスを電池の作動温度(通常、50℃〜8
0℃)で露点となるように加湿して(例えば、作動温度
付近、80℃前後の温水中にアノードガス又はカソード
ガスをバブリングして加湿する。)、燃料電池に供給す
る方法を主に採用していた。
In such a polymer electrolyte fuel cell, when the electrolyte membrane is dried, the ionic conductivity is reduced. Therefore, during operation, the anode gas or the cathode gas is heated at the operating temperature (cell temperature) so as to keep the electrolyte membrane wet. Usually 50 ° C ~ 8
The method mainly employs a method of humidifying so as to have a dew point at 0 ° C. (for example, humidifying by bubbling an anode gas or a cathode gas into hot water around an operating temperature of about 80 ° C.) and supplying the fuel gas to a fuel cell. Was.

【0004】しかし、上記の加湿方法では、温水を得る
ためにヒータ等やそのための補機動力装置が別途必要で
あるため、その分だけシステムの効率が悪かった。これ
に対して、特開平7−326376号公報には、燃料電
池と各反応ガス加湿部との間で、水や水蒸気等の熱媒体
を循環させることによって、燃料電池の発電に伴って発
生する熱を各反応ガスの加湿に用いることができる技術
が開示されている。この技術によって、従来、加湿用の
熱源として必要であったヒータ電力等を不要にすること
ができる。
However, in the above humidification method, a heater or the like and an auxiliary power device for the heater and the like are separately required in order to obtain hot water, so that the efficiency of the system is inferior to that extent. On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-326376 discloses that a heat medium such as water or water vapor is circulated between the fuel cell and each of the reaction gas humidifiers, thereby generating the fuel cell with power generation. A technique is disclosed in which heat can be used to humidify each reaction gas. With this technique, it is possible to eliminate the need for a heater power or the like that has conventionally been required as a heat source for humidification.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の固体高分子型燃料電池においては、加湿の温
度を電池作動温度付近の狭い範囲で厳密に制御しなけれ
ば、電解質膜の保湿が不十分或は過剰になるという課題
があった。また、燃料電池の発電の電気化学反応は発熱
反応であるので、燃料電池運転時には強制的に冷却する
必要があり、そのため上記加湿装置の他に冷却水用のタ
ンクをも設置しなければならずシステム構成の簡略性に
関しての課題があった。
However, in such a conventional polymer electrolyte fuel cell, if the humidification temperature is not strictly controlled in a narrow range near the operating temperature of the battery, the moisture retention of the electrolyte membrane cannot be maintained. There was a problem that it would be sufficient or excessive. In addition, since the electrochemical reaction of power generation by the fuel cell is an exothermic reaction, it is necessary to forcibly cool the fuel cell during operation, and therefore, a cooling water tank must be provided in addition to the humidifier. There was a problem regarding the simplicity of the system configuration.

【0006】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、固体高分子型燃料電池において、加湿温度の制
御が容易な固体高分子型燃料電池及びその運転方法を提
供することを第一目的とし、簡略なシステム構成の固体
高分子型燃料電池システムを提供することを第二の目的
としている。
The present invention has been made in view of the above problems, and it is a first object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell in which the humidification temperature can be easily controlled and a method of operating the same. A second object is to provide a polymer electrolyte fuel cell system having a simple system configuration.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記第一の目的を達成す
るために本発明は、電解質膜を介してアノードとカソー
ドが配されたセルと、当該セルを挟持する挟持部材と、
当該挟持部材と前記アノードの間にはアノードガスチャ
ネルが、前記セパレータ板と前記カソードの間にはカソ
ードガスチャネルがそれぞれアノード或はカソードと密
接して設けられた固体高分子型燃料電池において、前記
電解質膜の厚みが、3〜40μmであることを特徴とし
ている。
In order to achieve the first object, the present invention provides a cell in which an anode and a cathode are arranged via an electrolyte membrane, a holding member for holding the cell,
An anode gas channel is provided between the sandwiching member and the anode, and a cathode gas channel is provided between the separator plate and the cathode in close contact with the anode or the cathode, respectively. The thickness of the electrolyte membrane is 3 to 40 μm.

【0008】このように電解質膜の膜厚を薄くすること
で、電池作動温度と比べて低い露点の反応ガスを用いて
も発電することが可能となり、その結果、加湿制御の温
度幅が広がり加湿制御が容易になる。このような前記固
体高分子型燃料電池においては、加湿手段として室温相
当の水と接触させて加湿し燃料電池に供給すれば、電解
質膜の湿潤状態を維持することができる。この場合、加
湿用の温水を生成するための熱源が別途不要となので、
システム構成を簡略にできる。
[0008] By reducing the thickness of the electrolyte membrane in this manner, it is possible to generate power even using a reaction gas having a dew point lower than the operating temperature of the battery. Control becomes easy. In such a polymer electrolyte fuel cell, if the humidifying means is brought into contact with water at room temperature and humidified and supplied to the fuel cell, the wet state of the electrolyte membrane can be maintained. In this case, a heat source for generating hot water for humidification is not required separately,
The system configuration can be simplified.

【0009】さらに前記固体高分子型燃料電池が、電池
反応によって生成した生成水を回収する生成水回収手段
と、当該回収手段により回収した生成水を用いてアノー
ドガス及びカソードガスの少なくとも一方を加湿する加
湿手段とを備えれば、加湿用の水を外部から別途補給す
る必要がない。また、電池作動温度を室温相当とすれ
ば、アノードガス及びカソードガスが共に無加湿状態で
運転することもできる。
The polymer electrolyte fuel cell further comprises a product water recovery means for recovering water generated by the cell reaction, and humidifying at least one of the anode gas and the cathode gas using the water recovered by the recovery means. If humidifying means is provided, there is no need to separately supply humidifying water from the outside. If the operating temperature of the battery is equivalent to room temperature, both the anode gas and the cathode gas can be operated without humidification.

【0010】このことは、例えば携帯用の燃料電池発電
システムのように簡略性が要求される場合に非常に有効
であると言える。また、第二の目的を達成するために本
発明の固体高分子型燃料電池システムは、電解質膜を介
してアノードとカソードが配されたセルと、セパレータ
板が交互に積層されと共に、前記セパレータ板と前記ア
ノード及びカソード間にはガスチャネルが形成され、且
つ、冷却水流通路が開設されており、当該冷却水流通路
に固体高分子型燃料電池に外設された水貯蔵部から冷却
水を循環供給する冷却水循環手段を有し、更に、前記水
貯蔵部にアノードガス及びカソードガスの少なくとも一
方を導入して加湿する加湿手段とを有することを特徴と
している。
This can be said to be very effective when simplicity is required, for example, in a portable fuel cell power generation system. Further, in order to achieve the second object, the polymer electrolyte fuel cell system of the present invention comprises a cell in which an anode and a cathode are disposed via an electrolyte membrane, and separator plates, which are alternately stacked, A gas channel is formed between the anode and the cathode, and a cooling water flow passage is opened, and cooling water is circulated and supplied to the cooling water flow passage from a water storage unit provided outside the polymer electrolyte fuel cell. And a humidifying unit for introducing and / or humidifying at least one of an anode gas and a cathode gas into the water storage unit.

【0011】前記固体高分子型燃料電池システムでは、
水貯蔵部の水は、冷却用と反応ガスの加湿用を兼ねてい
る。そして、電池の発電によって生じる熱が反応ガスの
加湿に用いられるため、温水を得るためのヒータ等の熱
源を別途設置しなくてもよいので、それだけシステム構
成を簡略にすることができる。このような固体高分子型
燃料電池システムで、更に、電池反応によって生成した
生成水を回収して水貯蔵部に送り込む生成水回収手段を
備えれば、加湿に伴って水貯蔵部から失われる水を外部
から別途補給する必要がない。
In the above polymer electrolyte fuel cell system,
The water in the water storage unit serves both for cooling and for humidifying the reaction gas. Since the heat generated by the power generation of the battery is used for humidifying the reaction gas, it is not necessary to separately provide a heat source such as a heater for obtaining hot water, so that the system configuration can be simplified accordingly. In such a polymer electrolyte fuel cell system, if the product water recovery means for recovering the water generated by the cell reaction and sending it to the water storage unit is provided, the water lost from the water storage unit due to the humidification can be obtained. Need not be replenished separately from the outside.

【0012】さらに、システムが水貯蔵部の水を用いて
水蒸気を発生し、燃料ガスを水蒸気改質することによっ
て水素リッチなガスを生成する改質装置を備えれば、水
貯蔵部の水が水蒸気改質のために用いられるため簡略な
システム構成とすることができる。
Further, if the system is provided with a reformer that generates steam using the water in the water storage unit and generates a hydrogen-rich gas by steam reforming the fuel gas, the water in the water storage unit can be used. Since it is used for steam reforming, a simple system configuration can be obtained.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

〔実施の形態1〕図1は、固体高分子型燃料電池(以
降、単に燃料電池1と言う。)の基本単位1aの構成を
示す分解斜視図である。この燃料電池1の基本単位10
0は、電解質膜11の中央部にアノード12とカソード
13(図1においては電解質膜11の背面にあって見え
ない。図2参照。)とが配されたセル10と、セル10
を挟持する1対のセパレータ板20,30と、アノード
12,カソード13と接するように、セパレータ板2
0,30とセル10との間に介挿された1対の集電体4
0,41と、セパレータ板20,30の外周部とセル1
0との間に介挿されたこの部分をシールするシール材5
0,60とが積層された構成である。
Embodiment 1 FIG. 1 is an exploded perspective view showing the structure of a basic unit 1a of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter simply referred to as fuel cell 1). Basic unit 10 of this fuel cell 1
Reference numeral 0 denotes a cell 10 in which an anode 12 and a cathode 13 (not visible in FIG. 1 on the back of the electrolyte membrane 11; see FIG. 2) are disposed in the center of the electrolyte membrane 11;
And a pair of separator plates 20 and 30 sandwiching the anode plate 12 and the anode plate 12 and the cathode plate 13.
A pair of current collectors 4 interposed between 0, 30 and cell 10
0, 41, the outer peripheral portions of the separator plates 20, 30 and the cell 1
Sealing material 5 for sealing this portion inserted between
0, 60 are stacked.

【0014】そして、燃料電池1はこのような基本単位
100が例えば5個積層される毎に、冷却プレート11
0が介挿されて積層体が形成され、当該積層体の両端が
1対の端板(不図示)で押さえられて構成されている。
なお、積層される基本単位の数は、出力しようとする電
圧に応じて設定される。電解質膜11は、長方形状のイ
オン交換膜であって、周部の4つの角の部分には、反応
ガス給排用の内部マニホールドを形成するための4つの
円形の貫通孔14,15,16,17(図1では見えな
い。)が開設されている。
The fuel cell 1 is provided with a cooling plate 11 every five such basic units 100 are stacked.
0 is inserted to form a laminate, and both ends of the laminate are pressed by a pair of end plates (not shown).
Note that the number of basic units to be stacked is set according to the voltage to be output. The electrolyte membrane 11 is a rectangular ion exchange membrane. Four circular through holes 14, 15, 16 for forming internal manifolds for supplying and discharging the reaction gas are formed at four corners of the periphery. , 17 (not visible in FIG. 1).

【0015】また、周部の中央には冷却水給排用の内部
マニホールドを形成するための貫通孔18,19(19
は、図1では見えない。)が開設されている。前記電解
質膜11の膜厚は、3〜40μm、好ましくは5〜40
μmの範囲に設定されている。その理由は、40μmを
越えると単セル電圧の加湿温度に対する依存性が大きく
なり、加湿温度低下による単セル電圧の低下も大きくな
るため、又、3μm未満になると電池組立時の電解質膜
の取り扱いが困難になるため、又、5μm未満ではガス
クロスリークが大きくなるためである。
Further, through holes 18, 19 (19) for forming an internal manifold for supplying and discharging cooling water are formed in the center of the peripheral portion.
Are not visible in FIG. ) Has been established. The thickness of the electrolyte membrane 11 is 3 to 40 μm, preferably 5 to 40 μm.
It is set in the range of μm. The reason is that if the thickness exceeds 40 μm, the dependence of the single cell voltage on the humidification temperature increases, and the single cell voltage decreases due to the decrease in the humidification temperature. This is because it becomes difficult, and when it is less than 5 μm, gas cross leak increases.

【0016】電解質膜11は、このように膜厚が従来よ
りも薄くされているだけでなく、膜の強度を確保するた
めに、イオン交換基を有さない補強剤が配合されたもの
を素材としている。電解質膜11の具体例は、スルホン
酸基を持つポリスチレン系樹脂或はパーフルオロカーボ
ンスルホン酸に補強剤としてのポリテトラフルオロエチ
レン(テフロン,デュポン社製)を混合した混合膜,フ
ルオロカーボンスルホン酸と補強剤としてのポリビニリ
デンフロライドとの混合膜,このような混合膜にトリフ
ルオロエチレンを補強剤としてさらにグラフト化したも
の等の陽イオン交換性の高分子膜である。これらの高分
子膜は、陽イオン交換性の樹脂と補強剤とを混合したも
のをプレス加工することによって所定の厚みに成形され
ている。
As described above, the electrolyte membrane 11 is not only made thinner than the conventional one, but is also made of a material containing a reinforcing agent having no ion exchange group in order to secure the strength of the membrane. And Specific examples of the electrolyte membrane 11 include a mixed membrane obtained by mixing a polystyrene resin having a sulfonic acid group or perfluorocarbon sulfonic acid with polytetrafluoroethylene (Teflon, manufactured by DuPont) as a reinforcing agent, a fluorocarbon sulfonic acid and a reinforcing agent Cation-exchange polymer membranes such as a mixed membrane with polyvinylidene fluoride as above, and further grafted with such a mixed membrane with trifluoroethylene as a reinforcing agent. These polymer membranes are formed to a predetermined thickness by pressing a mixture of a cation exchange resin and a reinforcing agent.

【0017】電解質膜11は、上記のようにイオン交換
基を有さない補強剤が配合されているので、イオン交換
樹脂のみからなる膜(デュポン社製のナフィオン)の場
合と比べてイオン伝導性は低下する。この点はセルの発
電力にとってマイナスであるが、膜厚が薄くなっている
分、内部抵抗が低下し、これがセルの発電力に対して寄
与する。従って、従来のイオン交換性の樹脂単独の素材
からなる100μm程度の電解質膜を用いる場合と比べ
て同等以上のセル発電力を得ることができる。
Since the electrolyte membrane 11 contains a reinforcing agent having no ion exchange group as described above, the electrolyte membrane 11 has a higher ion conductivity than a membrane made of only an ion exchange resin (Nafion manufactured by DuPont). Drops. Although this point is negative for the power generation of the cell, the thinner the film thickness, the lower the internal resistance, which contributes to the power generation of the cell. Therefore, it is possible to obtain the same or higher cell power as compared with the conventional case of using an electrolyte membrane of about 100 μm made of a single ion-exchange resin alone.

【0018】アノード12,カソード13は、共に白金
担持カーボンからなる所定の厚さ(20〜30μm)の
同じ寸法の成形体であって、電解質膜11の中央部に密
着されており、所定の白金担持量(0. 7mg/cm
2)に調整されている。セパレータ板20,30は、共
に電解質膜11と同等の寸法に形成されたカーボン材料
からなるプレートであって、セパレータ板20のアノー
ド12と対向する側には複数のアノードガスチャネル2
1…が刻まれ(図1においては、セパレータ板20の背
面側に形成されているので見えない。図2参照。)、セ
パレータ板30のカソード13と対向する側には複数の
カソードガスチャネル31…が刻まれている。
The anode 12 and the cathode 13 are both formed bodies of a predetermined thickness (20 to 30 μm) of the same size and made of platinum-supporting carbon, and are adhered to the center of the electrolyte membrane 11. Loading amount (0.7 mg / cm
Adjusted to 2). Each of the separator plates 20 and 30 is a plate made of a carbon material having the same size as the electrolyte membrane 11, and has a plurality of anode gas channels 2 on the side of the separator plate 20 facing the anode 12.
.. Are not visible because they are formed on the back side of the separator plate 20 in FIG. 1 (see FIG. 2), and a plurality of cathode gas channels 31 are provided on the side of the separator plate 30 facing the cathode 13. … Is engraved.

【0019】また、セパレータ板20,30の各々に
は、4つの角の部分に円形の貫通孔24,25,26,
27並びに貫通孔34,35,36,37(37は、図
1では見えない。)が開設され、周部の中央には貫通孔
38,39(39は、図1では見えない。)が開設され
ている。図1に示されるように貫通孔34及び貫通孔3
6は、複数のカソードガスチャネル31…と連通されて
おり一方、図1には示されないが、これと同様に貫通孔
25及び27は、複数のカソードガスチャネル21…と
連通されている。
Each of the separator plates 20, 30 has a circular through hole 24, 25, 26,
27 and through holes 34, 35, 36, 37 (37 is not visible in FIG. 1), and through holes 38, 39 (39 are not visible in FIG. 1) at the center of the periphery. Have been. As shown in FIG.
6 are connected to the plurality of cathode gas channels 31..., While not shown in FIG. 1, similarly, the through holes 25 and 27 are connected to the plurality of cathode gas channels 21.

【0020】集電体40,41は、溌水処理を施した多
孔性カーボンの薄板からなり、アノード12,カソード
13よりも若干大きい寸法で形成されている。そして、
集電体を介してアノード12と複数のアノードガスチャ
ネル21…は対向し、集電体41を介して、カソード1
3と複数のカソードガスチャネル31とは対向してい
る。
The current collectors 40 and 41 are formed of a porous carbon thin plate subjected to a water-repellent treatment, and have dimensions slightly larger than those of the anode 12 and the cathode 13. And
The anode 12 and the plurality of anode gas channels 21 are opposed to each other via the current collector, and the cathode 1 is connected via the current collector 41.
3 and the plurality of cathode gas channels 31 are opposed to each other.

【0021】シール材50,60は、弾力性のある材質
(例えば、EPDMゴム)からなる枠体状の板であっ
て、その外周は電解質膜11の外周と同等の寸法であ
り、その内周50a,60aは、アノード12の外周1
2a、カソード13の外周13a(図1では見えない。
図2参照)、集電体40,41の外周40a,41aと
同等の寸法である。
The sealing members 50 and 60 are frame-shaped plates made of a resilient material (for example, EPDM rubber), the outer periphery of which is the same size as the outer periphery of the electrolyte membrane 11, and the inner periphery thereof. 50a and 60a are the outer periphery 1 of the anode 12.
2a, outer periphery 13a of cathode 13 (not visible in FIG. 1).
The dimensions are the same as the outer circumferences 40a and 41a of the current collectors 40 and 41.

【0022】また、シール材50,60の各々にも、前
記セパレータ板20,30の貫通孔24〜29それぞれ
と対応する位置に6つの円形の貫通孔54〜59(57
及び59は図1では見えない。)並びに64〜69(6
7及び69は図1では見えない。)が開設されている。
冷却プレート110は、電解質膜11と同等の縦,横寸
法の薄板であり、複数の冷却水通路111がセパレータ
30と対向するように(図2参照)刻まれている。
Each of the sealing members 50 and 60 also has six circular through holes 54 to 59 (57) at positions corresponding to the through holes 24 to 29 of the separator plates 20 and 30, respectively.
And 59 are not visible in FIG. ) And 64-69 (6
7 and 69 are not visible in FIG. ) Has been established.
The cooling plate 110 is a thin plate having the same vertical and horizontal dimensions as the electrolyte membrane 11, and is formed such that a plurality of cooling water passages 111 face the separator 30 (see FIG. 2).

【0023】そして冷却プレート110各々にも、前記
セパレータ板20,30の貫通孔24〜29と対応する
位置に6つの貫通孔114〜119が開設されている。
貫通孔118,119は前記冷却水通路111と連通さ
れている。以上の各部材が積層されることにより、即
ち、セル10、セパレータ板20,30,シール材5
0,60及び冷却プレート110が積層されることによ
り、貫通孔24,54,14,64,34,114によ
ってカソードガス供給用のマニホールドが構成され、貫
通孔26,56,16,66,36,116によりカソ
ードガス排出用のマニホールドが構成されている。ま
た、貫通孔25,55,15,65,35,115によ
りアノードガス供給用のマニホールドが構成され、貫通
孔27…によってアノードガス排出用のマニホールドが
構成されている。
The cooling plate 110 also has six through holes 114 to 119 at positions corresponding to the through holes 24 to 29 of the separator plates 20 and 30.
The through holes 118 and 119 communicate with the cooling water passage 111. By laminating the above members, namely, the cell 10, the separator plates 20, 30, the sealing material 5
By stacking the cooling plates 110, 0 and 60, a manifold for supplying the cathode gas is constituted by the through holes 24, 54, 14, 64, 34, 114, and the through holes 26, 56, 16, 66, 36, A manifold for discharging the cathode gas is constituted by 116. The through holes 25, 55, 15, 65, 35, and 115 constitute a manifold for supplying anode gas, and the through holes 27... Constitute a manifold for discharging anode gas.

【0024】また、貫通孔28,58,18,68,3
8,118によって冷却水供給用のマニホールドが構成
され、貫通孔29,19,69,39,119によって
冷却水排出用のマニホールドが構成される。そして、カ
ソードガス供給用のマニホールドに供給されるカソード
ガスは、複数のカソードガスチャネル31に分配され、
カソード13で発電に用いられた後、カソードガス排出
用のマニホールドから排出される。一方、アノードガス
供給用のマニホールドに供給されるアノードガスは、複
数のアノードガスチャネル21…に分配され、アノード
12で発電に用いられた後、アノードガス排出用のマニ
ホールドから排出されるようになっている。
The through holes 28, 58, 18, 68, 3
A cooling water supply manifold is constituted by 8, 118, and a cooling water discharge manifold is constituted by through holes 29, 19, 69, 39, 119. Then, the cathode gas supplied to the cathode gas supply manifold is distributed to the plurality of cathode gas channels 31,
After being used for power generation at the cathode 13, it is discharged from a cathode gas discharge manifold. On the other hand, the anode gas supplied to the anode gas supply manifold is distributed to the plurality of anode gas channels 21 and used by the anode 12 for power generation, and then discharged from the anode gas discharge manifold. ing.

【0025】冷却水供給用のマニホールドに供給された
冷却水は、複数の通路111に分配され、冷却に用いら
れた後、冷却水排出用のマニホールドから排出されるこ
とになる。図2(図2は、図1に示す燃料電池1のX−
X軸での断面図である。)に示すように、電解質膜11
の外周部分は、シール材50,60を介してセパレータ
板20,30で挟持されている。
The cooling water supplied to the cooling water supply manifold is distributed to a plurality of passages 111, used for cooling, and then discharged from the cooling water discharge manifold. FIG. 2 (FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell 1 shown in FIG.
It is sectional drawing in an X-axis. ), The electrolyte membrane 11
Is sandwiched between separator plates 20 and 30 via sealing materials 50 and 60.

【0026】集電体40は、シール材50の内周50a
の内側に丁度はまり込んでおり、集電体41は、シール
材60の内周60aの内側に丁度はまり込んでいる。 〔加湿手段について〕以上のような構成の燃料電池1に
おいて反応ガスの加湿は、室温相当の水すなわち加熱し
ない水に反応ガスを接触させて行う。具体的には、従来
から知られているように水中に反応ガスをバブリングし
たり,反応ガス中に水を噴霧したり,水層の底部に超音
波振動子を設けて通過する反応ガス中に水の微粒子を飛
散させる方式の加湿装置を用いて行うこともできるが、
より簡単な方法として次のような加湿装置を用いて行う
ことができる。
The current collector 40 includes an inner periphery 50 a of the sealing material 50.
, And the current collector 41 has just fit inside the inner periphery 60 a of the sealing material 60. [Humidifying Means] In the fuel cell 1 having the above-described structure, humidification of the reaction gas is performed by bringing the reaction gas into contact with water at room temperature, that is, water that is not heated. Specifically, as is conventionally known, a reaction gas is bubbled into water, water is sprayed into the reaction gas, or an ultrasonic vibrator is provided at the bottom of the water layer to form a reaction gas passing therethrough. It can also be performed using a humidifier that disperses fine particles of water,
As a simpler method, it can be performed using the following humidifier.

【0027】図3に示すように開閉可能な上蓋101a
と本体101bとからなる水滞留部101が、反応ガス
供給用の配管102に対して挿設されている。そして、
本体101b内には純水103が蓄えられ、水層が形成
されている。その水層の上を反応ガスが通過する(図中
の太矢印)ような内部構造となっている。滞留部101
からガスが流出しないように前記上蓋101aと本体1
01bとの間にはシール材を介在させて、本体101b
と上蓋101aとは締め付けられている。
As shown in FIG. 3, an upper cover 101a which can be opened and closed.
And a water retaining portion 101 composed of a main body 101b is inserted into a pipe 102 for supplying a reactive gas. And
Pure water 103 is stored in the main body 101b, and a water layer is formed. The internal structure is such that the reaction gas passes over the aqueous layer (thick arrow in the figure). Retention part 101
The upper lid 101a and the main body 1
01b and a main body 101b
And the upper lid 101a are fastened.

【0028】これによって、室温において水層から発生
する水蒸気(図の波線矢印)で反応ガスはほぼ飽和さ
れ、室温相当の露点ガスとなる。このような加湿装置
は、アノードガス供給用或はカソードガス供給用配管の
どちらか一方だけに設けて燃料電池を運転することは可
能であるが、両配管に設置することもできる。
As a result, the reaction gas is almost saturated with water vapor (dashed arrow in the figure) generated from the aqueous layer at room temperature, and becomes a dew point gas equivalent to room temperature. Such a humidifier can be provided in only one of the anode gas supply pipe and the cathode gas supply pipe to operate the fuel cell, but can also be provided in both pipes.

【0029】このように燃料電池1において、加湿用の
温水を生成するための熱源やそのための電力源である補
助動力装置や水温を制御する機構が不要であって、室温
の水と単に接触させるだけで反応ガスを加湿して運転可
能であるのは、上述したように電解質膜の膜厚が従来よ
りも薄くされていることによるものである。なお、次の
ようにして燃料電池1の電池反応での生成水を用いて反
応ガスの加湿に用いることもできる。
As described above, in the fuel cell 1, there is no need for a heat source for generating hot water for humidification, an auxiliary power unit as a power source for the humidification, or a mechanism for controlling the water temperature. The operation can be performed by humidifying the reaction gas alone, because the thickness of the electrolyte membrane is made thinner than before as described above. In addition, it can also be used for humidification of the reaction gas using the water generated by the cell reaction of the fuel cell 1 as follows.

【0030】すなわち、前記各反応ガス排出用マニホー
ルド少なくともどちらか一方から流出するガスを気液分
離器(不図示)に導いて、これで回収した水を配管10
4を経由して本体101b内に導入するようにすれば、
外部から本体101b内に水を補給する必要がない。ま
た、この生成水は作動温度近くにまで昇温されたもので
あるため、水滞留部101における反応ガスの加湿はよ
り進行することになる。
That is, the gas flowing out from at least one of the respective reaction gas discharge manifolds is led to a gas-liquid separator (not shown), and the water recovered therefrom is passed through a pipe 10.
4 and introduced into the main body 101b,
There is no need to externally supply water to the main body 101b. Further, since the generated water has been heated to a temperature close to the operating temperature, the humidification of the reaction gas in the water retaining section 101 proceeds more.

【0031】さらに、前記滞留部101の水層の底部
に、超音波振動子(不図示)を設けて、通過する反応ガ
ス中に水の微粒子を飛散させてこれにより反応ガスを加
湿することもできる。なお、燃料電池1は電解質膜の膜
厚が従来よりも薄くされているので、室温相当の温度で
運転する場合には、アノードガス及びカソードガスを共
に無加湿でも発電可能であり(実験2参照)、このよう
な運転形態は、例えば携帯用の燃料電池発電システムの
簡略性が要求される場合に非常に有効であると言える。
Further, an ultrasonic vibrator (not shown) may be provided at the bottom of the water layer of the stagnation portion 101 to scatter water fine particles in the passing reaction gas, thereby humidifying the reaction gas. it can. In addition, since the fuel cell 1 has a thinner electrolyte membrane than before, when operating at a temperature equivalent to room temperature, it is possible to generate power without humidifying both the anode gas and the cathode gas (see Experiment 2). It can be said that such an operation mode is very effective when, for example, simplicity of a portable fuel cell power generation system is required.

【0032】〔電解質膜の保湿についての考察〕次に、
電解質膜11の発電時の保湿について水蒸気分圧の観点
から説明する。発電時に電解質膜は、対向するアノード
及びカソードを経由して反応ガスを媒体にして流れ込む
水蒸気と接触する。このとき、作動温度下において、ア
ノードガスチャネルを流れる加湿されたアノードガスの
水蒸気分圧及びカソードガスチャネルを流れる加湿され
たカソードガスの水蒸気分圧と、電解質膜の素材である
樹脂繊維間に形成される微小な間隙(以降、電解質膜空
間という。)の水蒸気分圧それぞれとの平衡が確保され
れば、電解質膜の吸着水の蒸発を防ぐことができる。
[Consideration on Moisturizing Electrolyte Membrane]
Moisturizing of the electrolyte membrane 11 during power generation will be described from the viewpoint of the partial pressure of water vapor. During power generation, the electrolyte membrane comes into contact with water vapor flowing through the opposed anode and cathode using the reaction gas as a medium. At this time, at the operating temperature, the water vapor partial pressure of the humidified anode gas flowing through the anode gas channel and the water vapor partial pressure of the humidified cathode gas flowing through the cathode gas channel are formed between the resin fibers that are the material of the electrolyte membrane. If the equilibrium with each of the water vapor partial pressures of the minute gaps (hereinafter referred to as an electrolyte membrane space) is ensured, evaporation of the water adsorbed on the electrolyte membrane can be prevented.

【0033】一方、アノードガスの水蒸気分圧が電解質
膜空間の水蒸気分圧よりも小さい場合、電解質膜の吸着
水がアノード側に水蒸気化し、カソードガスの水蒸気分
圧が電解質膜空間の水蒸気分圧より小さい場合には同様
にして膜の吸着水がカソード側に水蒸気化する。このよ
うに気化して損失する水分は、カソードでの酸化反応に
よって生成する生成水でもって補給されるが、電解質膜
の膜厚が大きい場合では、膜内部やアノード側にまでは
補給できず膜の厚み方向に湿潤状態に勾配ができてしま
う。
On the other hand, when the water vapor partial pressure of the anode gas is smaller than the water vapor partial pressure of the electrolyte membrane space, the adsorbed water of the electrolyte membrane is turned into steam on the anode side, and the water vapor partial pressure of the cathode gas becomes the water vapor partial pressure of the electrolyte membrane space. If smaller, the adsorbed water of the membrane is similarly vaporized to the cathode side. The water lost by vaporization is replenished by the water generated by the oxidation reaction at the cathode. However, when the thickness of the electrolyte membrane is large, it cannot be supplied to the inside of the membrane or the anode side. In the wet state in the thickness direction.

【0034】これに対して、電解質膜の膜厚が薄けれ
ば、カソードでの酸化反応による生成水でもって、前記
のように損失する水量は、膜表面だけでなく内部にまで
十分に補うことができ、膜の厚み方向に湿潤状態に勾配
を生じることがないので、膜のイオン伝導性の低下を抑
制することができる。以上説明したような作用は、膜厚
が薄い程顕著であると言える。
On the other hand, if the thickness of the electrolyte membrane is small, the amount of water lost by the water produced by the oxidation reaction at the cathode should be sufficiently compensated not only on the membrane surface but also inside the membrane. Since no gradient occurs in the wet state in the thickness direction of the membrane, a decrease in the ion conductivity of the membrane can be suppressed. The effect as described above can be said to be more remarkable as the film thickness is smaller.

【0035】〔実験1〕 ★ 実験の方法 燃料電池の構成は既述の燃料電池1と同一とし、電解質
膜の膜厚を125μm,40μm,20μmと変えたも
のを用いて以下のような実験した。電解質膜は、主素材
をパーフルオロスルホン酸樹脂とし、これにテフロンを
補強剤として使用し製造したものを使用している(実験
2及び3においても同様の素材からなる膜を使用してい
る。)。
[Experiment 1] ★ Method of Experiment The following experiment was conducted using the same fuel cell 1 as described above, except that the thickness of the electrolyte membrane was changed to 125 μm, 40 μm, and 20 μm. . The electrolyte membrane is made of a perfluorosulfonic acid resin as a main material and manufactured using Teflon as a reinforcing agent. (In Experiments 2 and 3, membranes made of the same material are used.) ).

【0036】電流密度500mA/cm2,作動温度8
0℃,アノードガス加湿温度80℃の運転条件で運転
し、カソードガスの加湿温度を変化させた場合のセル1
個当たりの電圧(mV)と内部抵抗値(mΩ・cm2
を測定した。それらの結果を図4,図5に示した。な
お、カソードガスには、空気を用い、アノードガスには
水素ガスを用いた。
Current density 500 mA / cm 2 , operating temperature 8
Cell 1 when operating under the operating conditions of 0 ° C. and humidifying temperature of anode gas of 80 ° C. and changing the humidifying temperature of cathode gas
Voltage per unit (mV) and internal resistance (mΩ · cm 2 )
Was measured. The results are shown in FIGS. Note that air was used as a cathode gas, and hydrogen gas was used as an anode gas.

【0037】また、各反応ガスの加湿は所定の水温の水
中に各反応ガスをバブリングして行い、その水温が加湿
温度となる。そして、当該温度で発生する水蒸気量がカ
ソードガス中に含有されることになり、即ち、バブリン
グされたカソードガスはその水温を露点とする水蒸気を
含有するということになる。なお、カソードガス無加湿
の場合についても測定した。
The humidification of each reaction gas is performed by bubbling each reaction gas in water having a predetermined water temperature, and the water temperature becomes the humidification temperature. Then, the amount of water vapor generated at the temperature is contained in the cathode gas, that is, the bubbled cathode gas contains water vapor whose dew point is the water temperature. In addition, it measured also about the case of non-humidification of a cathode gas.

【0038】★ 実験の結果及び考察 まず、図4に示すように、カソードガス加湿温度が80
℃において電圧は膜厚によらず略同等の最大の値を示
し、そして、カソードガスの加湿温度が低下するに従い
電圧は低下する傾向を示しているが、電解質膜の膜厚が
薄くなるほど、電圧の温度依存性が小さくなり、加湿温
度の低下による電圧の減少率が小さくなる。したがっ
て、低いカソードガス加湿温度において高い電圧を得る
ことが可能となる。即ち、加湿制御の温度幅が拡大され
るので加湿の制御が容易に行えると言える。
★ Results and Discussion of Experiment First, as shown in FIG.
At ℃, the voltage shows almost the same maximum value irrespective of the film thickness, and the voltage shows a tendency to decrease as the humidification temperature of the cathode gas decreases, but as the electrolyte membrane becomes thinner, the voltage becomes smaller. , The temperature dependence of the voltage decreases, and the rate of decrease in voltage due to a decrease in the humidification temperature decreases. Therefore, a high voltage can be obtained at a low cathode gas humidification temperature. That is, since the temperature range of the humidification control is expanded, it can be said that the humidification can be easily controlled.

【0039】例えば、従来の125μmの膜厚の電解質
膜を用いた場合、480mVの電圧を得ようとすれば、
少なくとも60℃の温度で加湿しなければならないが、
40μmと従来の略3分の1の膜厚の電解質膜を用いれ
ば、加湿温度は45℃と大幅に低下しても十分に480
mVを発電することができる。さらに薄い膜厚20μm
の場合、カソードガスを加湿することなく無加湿で供し
ても480mVを確保することができる。
For example, when a conventional electrolyte membrane having a thickness of 125 μm is used, if a voltage of 480 mV is to be obtained,
Must be humidified at a temperature of at least 60 ° C,
If an electrolyte membrane having a thickness of about 40 μm, which is about one third of the conventional thickness, is used, even if the humidification temperature is greatly reduced to 45 ° C., it is sufficient to use 480.
mV can be generated. 20 μm thinner film thickness
In this case, 480 mV can be secured even if the cathode gas is supplied without humidification without humidification.

【0040】なお、すべての膜厚で加湿温度が80℃を
越えると電圧が低下しているのは、電池の作動温度が8
0℃であるのでカソードガス中の水蒸気が過飽和にな
り、電極面上に結露して電極内へのカソードガスの透過
性が損なわれ、カソードでの十分な酸化反応が行われな
くなるためである。なお、この実験では20,40,1
25μmの膜厚について調べたが、膜厚が厚くなるにし
たがって、電圧の温度依存性が大きくなる傾向があるこ
とを別途の実験によっても確認した。
When the humidification temperature exceeds 80 ° C. for all the film thicknesses, the voltage drops because the operating temperature of the battery is 8 ° C.
Since the temperature is 0 ° C., the water vapor in the cathode gas becomes supersaturated, dew forms on the electrode surface, and the permeability of the cathode gas into the electrode is impaired, so that a sufficient oxidation reaction at the cathode cannot be performed. In this experiment, 20, 40, 1
The film thickness of 25 μm was examined, and it was confirmed by a separate experiment that the temperature dependency of the voltage tended to increase as the film thickness increased.

【0041】次に、図5より、膜厚が薄い方が内部抵抗
は小さいことが分かる。例えば、カソードガス加湿温度
が50℃において、膜厚125μmでは、十分に電解質
膜の湿潤状態を確保できないため、単セルの内部抵抗
は、450mΩ・cm2と非常に大きな値を示すが、膜
厚40μmでは、250mΩ・cm2と低下し、さらに
膜厚20μmでは、150mΩ・cm2と125μmの
3分の1にまで低下する。また、膜厚40μm及び20
μmの電池を無加湿で運転した場合においてさえ、膜厚
125μmのカソードガス加湿温度が50℃の場合の内
部抵抗値よりも小さな内部抵抗値を示していた。
FIG. 5 shows that the smaller the film thickness, the smaller the internal resistance. For example, at a cathode gas humidification temperature of 50 ° C., if the film thickness is 125 μm, the electrolyte membrane cannot sufficiently secure the wet state, so that the internal resistance of the single cell shows a very large value of 450 mΩ · cm 2. At 40 μm, it is reduced to 250 mΩ · cm 2, and when the film thickness is 20 μm, it is reduced to 150 mΩ · cm 2 and one third of 125 μm. In addition, the film thickness of 40 μm and 20
Even when the cell having a thickness of 125 μm was operated without humidification, the internal resistance was smaller than that obtained when the humidification temperature of the cathode gas having a thickness of 125 μm was 50 ° C.

【0042】なお、以上の実験では、アノードガスを8
0℃で加湿した場合について調べたが、アノードガス及
びカソードガス双方を同時に加湿せずに、一方のみを加
湿した場合でも、単セル1個当たりの電圧は若干低下し
たが、上記に実験の場合とほぼ同様の傾向が認められ
た。 〔実験2〕 ★ 実験の方法 実験1で用いた膜厚20μmの燃料電池1を用いて、作
動温度を室温(25℃)として、アノードガス,カソー
ドガス共に無加湿で運転を行った。そこで電流密度を0
〜500mA/cm2の範囲で変化させながら、セル電
圧(mV)を測定した。
In the above experiment, the anode gas was 8
Although the case where humidification was performed at 0 ° C. was examined, the voltage per single cell was slightly reduced even when only the anode gas and the cathode gas were not humidified at the same time and only one of them was humidified. Almost the same tendency was observed. [Experiment 2] ★ Experimental method Using the fuel cell 1 having a film thickness of 20 μm used in Experiment 1, the operation temperature was set to room temperature (25 ° C.), and the anode gas and the cathode gas were operated without humidification. Therefore, the current density is set to 0
The cell voltage (mV) was measured while changing in the range of 500500 mA / cm 2 .

【0043】★ 実験の結果 図6は、上記実験の結果であって、電流密度とセル電圧
の関係を示す特性図である。図6より、電流密度が40
0mV/cm2以下の範囲では、480mV以上のセル
電圧が得られることが分かる。
★ Results of Experiment FIG. 6 is a characteristic diagram showing the results of the above experiment, showing the relationship between current density and cell voltage. According to FIG. 6, the current density is 40
It can be seen that a cell voltage of 480 mV or more can be obtained in a range of 0 mV / cm 2 or less.

【0044】〔実験3〕 ★ 実験の方法 図7に示すように、膜厚1〜125μmの電解質膜を、
気密性を有するハウジングで表裏面の周部を挟持し、水
素ガスと窒素ガスをハウジングと膜の形成する空間に対
峙した状態で封入し、電解質膜を通過して窒素ガス中に
流入する水素ガスの量をクロスリーク量として測定し
た。
[Experiment 3] ★ Experimental Method As shown in FIG. 7, an electrolyte membrane having a film thickness of 1 to 125 μm was
Hydrogen gas flowing through the electrolyte membrane into the nitrogen gas through the electrolyte membrane, sandwiching the periphery of the front and back surfaces with an airtight housing, and enclosing hydrogen gas and nitrogen gas in a state facing the space formed by the housing and the membrane. Was measured as the amount of cross leak.

【0045】★ 実験の結果 各膜厚についてのクロスリーク量を膜厚が125μmの
クロスリーク量を1とした場合の相対値を図8に示し
た。図8に示したように、電解質膜の膜厚が薄くなるほ
どクロスリーク量は増加傾向にあった。そして、5μm
未満ではクロスリーク量の増大が顕著であることが分か
る。従って、膜厚は5μm以上が好ましいと言える。
★ Experimental Results FIG. 8 shows relative values when the cross leak amount for each film thickness is 125 μm and the cross leak amount is 1 for each film thickness. As shown in FIG. 8, the cross leak amount tended to increase as the thickness of the electrolyte membrane became thinner. And 5μm
It can be seen that when the value is less than the above, the amount of cross leak increases remarkably. Therefore, it can be said that the film thickness is preferably 5 μm or more.

【0046】〔実施の形態2〕本実施の形態に係る固体
高分子型燃料電池システムは、電解質膜11に膜厚12
5μmのパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の膜(デ
ュポン社製のナフィオン)を用いる以外は燃料電池1と
同様の構成の固体高分子型燃料電池と、以下説明する加
湿装置70と、それらを連結する配管系とから構成され
ており、電池運転時には加湿装置70でアノードガスの
みを加湿するようになっている。
[Embodiment 2] In the polymer electrolyte fuel cell system according to the present embodiment, the electrolyte membrane 11 has a thickness of 12
A polymer electrolyte fuel cell having the same configuration as that of the fuel cell 1 except that a 5 μm membrane of perfluorocarbon sulfonic acid resin (Nafion manufactured by DuPont) is used, a humidifying device 70 described below, and a piping system connecting them. The humidifier 70 humidifies only the anode gas during battery operation.

【0047】以下、図9及び10を用いて加湿装置70
の構成及び加湿方法について説明する。図9は、加湿装
置70の外観図であり、図10は、加湿装置70の概略
断面図である。図9に示すように本加湿装置70は、有
底の円筒管状の装置本体70aと天板70bとから構成
され、本体70a側面上部にはアノードガスの給排用の
配管701,702が連結されている。
Hereinafter, the humidifying device 70 will be described with reference to FIGS.
The configuration and the humidification method will be described. FIG. 9 is an external view of the humidifier 70, and FIG. 10 is a schematic sectional view of the humidifier 70. As shown in FIG. 9, the humidifying device 70 includes a bottomed cylindrical tubular device main body 70a and a top plate 70b, and upper and lower side surfaces of the main body 70a are connected with piping 701 and 702 for supplying and discharging anode gas. ing.

【0048】さらに、本加湿装置70は、燃料電池を冷
却するための冷却水槽をも兼ねるものであって、冷却水
を燃料電池に供給するための配管703が装置本体70
a側面下部に、冷却水を装置本体内に導入するための配
管704が天板70bに連結されている。図10に示す
ように加湿装置70の内部空間710は、熱伝導性の仕
切板73で仕切られ、アノードガス加湿槽71と冷却水
槽72とが形成され、内部に純水が貯蔵されている。そ
して両槽間では、仕切板73を介して熱交換がなされる
ようになっている。
Further, the humidifying device 70 also serves as a cooling water tank for cooling the fuel cell, and a pipe 703 for supplying cooling water to the fuel cell is provided in the humidifying device 70.
A pipe 704 for introducing cooling water into the apparatus main body is connected to the top plate 70b at the lower part of the side surface a. As shown in FIG. 10, the internal space 710 of the humidifying device 70 is partitioned by a heat conductive partition plate 73, and an anode gas humidifying tank 71 and a cooling water tank 72 are formed, and pure water is stored inside. Heat is exchanged between the two tanks via the partition plate 73.

【0049】アノードガス加湿槽71において、上記の
アノードガス供給用の管701は、その先端が水層中に
まで挿入され、上記のアノードガス排出用の配管702
は、水層より上の位置で当該槽71と連通されている。
また、上記の冷却水用の配管703,704は、冷却水
槽72と連通されている。
In the anode gas humidifying tank 71, the above-mentioned anode gas supply pipe 701 is inserted into the water layer at its tip, and the above-mentioned anode gas discharge pipe 702 is inserted.
Is communicated with the tank 71 at a position above the water layer.
The cooling water pipes 703 and 704 communicate with the cooling water tank 72.

【0050】仕切板73の下部には、例えばSUS製の
泡切フィルタ74が設けられている。これによりアノー
ドガス加湿槽71と冷却水槽72との間で水が流通可能
であると共に、アノードガスの気泡が冷却水槽72へ移
動するのは阻止されるようになっている。泡切フィルタ
74の細孔径は、配管701から水中にバブリングされ
るアノードガスの気泡の径よりも小さい径にすることが
望ましい。
A SUS foam filter 74 is provided below the partition plate 73, for example. As a result, water can flow between the anode gas humidifying tank 71 and the cooling water tank 72, and bubbles of the anode gas are prevented from moving to the cooling water tank 72. It is desirable that the pore size of the bubble elimination filter 74 be smaller than the diameter of the bubble of the anode gas bubbled into the water from the pipe 701.

【0051】★ 冷却水循環機能について 配管703に挿設されたポンプ705を駆動することに
より、冷却水槽72内に貯蔵された水は、配管703を
経由して冷却水として燃料電池に供され、燃料電池から
排出される水は、配管704を経由して冷却水槽72に
戻って繰り返し冷却水として用いられる。配管704か
ら戻る水は、燃料電池の作動温度付近のまで昇温されて
いるため、冷却水槽72内の水の温度は、ヒータ等熱源
がなくとも電池の反応熱によって昇温され電池から排出
される冷却水を熱媒体として作動温度付近にまで昇温さ
れることになる。
★ Cooling Water Circulation Function By driving the pump 705 inserted in the pipe 703, the water stored in the cooling water tank 72 is supplied to the fuel cell as cooling water via the pipe 703, Water discharged from the battery returns to the cooling water tank 72 via the pipe 704 and is repeatedly used as cooling water. Since the temperature of the water returning from the pipe 704 has been raised to near the operating temperature of the fuel cell, the temperature of the water in the cooling water tank 72 is increased by the reaction heat of the battery and discharged from the battery without a heat source such as a heater. Using the cooling water as a heat medium, the temperature is raised to near the operating temperature.

【0052】★ 加湿機能について 次に、加湿装置70におけるアノードガスの加湿機能に
ついて説明する。アノードガスは、配管701を経由し
て水層中にバブリングされることにより加湿される。こ
うして加湿されたアノードガスはアノードガス加湿槽7
1内の水層上部の空間に滞留した後、配管702を経由
して燃料電池(不図示)に供給される。このようなアノ
ードガスの流れを図10においては細矢印で示してい
る。
★ Humidification Function Next, the humidification function of the anode gas in the humidification device 70 will be described. The anode gas is humidified by being bubbled into a water layer via a pipe 701. The humidified anode gas is supplied to the anode gas humidifying tank 7.
After staying in the space above the water layer in the fuel cell 1, it is supplied to a fuel cell (not shown) via a pipe 702. Such a flow of the anode gas is indicated by a thin arrow in FIG.

【0053】アノードガス加湿槽71の水層の水は、冷
却水槽72内の温水と泡切フィルタ74を通して交換さ
れることと(図10の太矢印)、仕切板73を介して冷
却水槽72の熱が伝導することにより冷却水槽72内の
水と同様に作動温度付近の温水となる。したがって、前
記のように加湿されたアノードガスは、電池作動温度で
飽和量の水蒸気が含有されたものとなる。
The water in the water layer of the anode gas humidifying tank 71 is exchanged with the warm water in the cooling water tank 72 through the bubble cut filter 74 (thick arrow in FIG. 10), and the water in the cooling water tank 72 is When the heat is conducted, the water becomes hot water near the operating temperature similarly to the water in the cooling water tank 72. Therefore, the humidified anode gas contains a saturated amount of water vapor at the battery operating temperature.

【0054】また、前記泡切フィルタ74によって、ア
ノードガス加湿槽71の水層に導入されたアノードガス
は、冷却水槽72内に混入しない。以上のような加湿装
置70は、水の温度は発電時の電池の発生熱によって昇
温することで、水を温めるためのヒータやヒータ作動の
ための補助動力装置等が不要にし、反応ガスの加湿と燃
料電池の冷却という2つの異なる機能を同時に果たすこ
とが可能な装置である。
Also, the anode gas introduced into the water layer of the anode gas humidifying tank 71 by the bubble removing filter 74 does not enter the cooling water tank 72. The humidifier 70 as described above raises the temperature of the water by the heat generated by the battery at the time of power generation, thereby eliminating the need for a heater for heating the water and an auxiliary power unit for operating the heater. This device can simultaneously perform two different functions of humidification and cooling of the fuel cell.

【0055】★ その他 なお、本実施の形態では、アノードガスの加湿は、水層
中にアノードガスをバブリングする方式で行ったが、そ
れ以外にも、前記ガス層にアノードガスを導入し、アノ
ードガス加湿槽71の底部に設置した超音波振動子(不
図示)で水層の水面から水の微粒子を発生させ、これを
含有させたアノードガスを燃料電池に供給することもで
きる。
★ Others In the present embodiment, the anode gas is humidified by bubbling the anode gas into the water layer. Alternatively, the anode gas may be introduced into the gas layer and the anode gas may be humidified. Ultrasonic vibrators (not shown) installed at the bottom of the gas humidifying tank 71 may generate fine water particles from the surface of the water layer, and supply an anode gas containing the fine particles to the fuel cell.

【0056】また、本実施の形態では加湿はアノードガ
スだけを加湿したが、加湿は必ずしもアノードガスでは
なくカソードガスを加湿するようにしてもよい。また、
本実施の形態では、加湿に伴って加湿装置70内の水が
失われるため、これを補給する必要があるが、発電時に
カソード側での酸化反応によって生成する生成水をカソ
ードガス排出用のマニホールドから排出されるガス中か
ら気液分離気器(不図示)で分離したり、アノードガス
の排出用のマニホールドから排出されるガスから気液分
離器によって、水分を分離し、分離した水を冷却水槽7
2に供するようにすることもできる。
In this embodiment, only the anode gas is humidified in the humidification. However, the humidification may not necessarily be the anode gas but the cathode gas. Also,
In the present embodiment, the water in the humidifier 70 is lost due to the humidification, so it is necessary to replenish the water. However, the water generated by the oxidation reaction on the cathode side during the power generation is supplied to the manifold for discharging the cathode gas. Gas is separated from the gas discharged from the gas by a gas-liquid separator (not shown), and water is separated from the gas discharged from the manifold for discharging the anode gas by the gas-liquid separator, and the separated water is cooled. Aquarium 7
2 can also be provided.

【0057】このように電池反応による生成水を回収し
て補給すれば、別途に水を供給しなくても加湿によって
失われる水分の補給がなされる。なお、本実施の形態の
固体高分子型燃料電池システムにおいて、メタンガス等
の天然ガスを水蒸気改質反応して水素リッチなガスを生
成する改質器(不図示)を設けて、この水素リッチなガ
スをアノードガスとして使用することもできる。この場
合、前記冷却水槽の温水を温水を水蒸気発生器に導い
て、これを水蒸気化して、改質器に導入して、水蒸気改
質反応用の水蒸気として用いるようなシステム構成とす
ることもできる。
By collecting and replenishing the water produced by the battery reaction in this way, the water lost by humidification can be replenished without separately supplying water. In the polymer electrolyte fuel cell system according to the present embodiment, a reformer (not shown) for producing a hydrogen-rich gas by performing a steam reforming reaction on a natural gas such as methane gas is provided. Gas can also be used as anode gas. In this case, it is also possible to adopt a system configuration in which the hot water in the cooling water tank is supplied with steam to a steam generator, which is turned into steam, introduced into a reformer, and used as steam for a steam reforming reaction. .

【0058】〔実施の形態3〕本実施の形態に係る固体
高分子型燃料電池システムは、実施の形態2と同様、燃
料電池と加湿装置80とそれらを連結する配管系とから
構成されるが、加湿装置80では運転時にアノードガス
及びカソードガス共に加湿を行う。図11は、本実施の
形態に係る加湿装置80の外観図であり、図12は、概
略断面図である。
[Embodiment 3] The polymer electrolyte fuel cell system according to the present embodiment comprises a fuel cell, a humidifier 80, and a piping system for connecting them, as in Embodiment 2. The humidifier 80 humidifies both the anode gas and the cathode gas during operation. FIG. 11 is an external view of a humidifying device 80 according to the present embodiment, and FIG. 12 is a schematic sectional view.

【0059】実施の形態2の加湿装置70と同様に本加
湿装置80も、燃料電池を冷却する冷却水槽をも兼ねる
有底の円筒管状の装置本体80aと天板80bとから構
成されているが、加湿装置80の内部空間850は仕切
板83で2つに仕切られてアノードガス加湿槽81とカ
ソードガス加湿槽82が形成されており、両槽に所定量
の純水が貯蔵されている。
Like the humidifying device 70 of the second embodiment, the humidifying device 80 also comprises a bottomed cylindrical tubular device main body 80a also serving as a cooling water tank for cooling the fuel cell, and a top plate 80b. The internal space 850 of the humidifier 80 is divided into two by a partition plate 83 to form an anode gas humidification tank 81 and a cathode gas humidification tank 82, and both tanks store a predetermined amount of pure water.

【0060】そして、本体80a側面上部にはアノード
ガス及びカソードガスの給排用の配管801〜804が
連結されている。アノードガス供給用の配管801は、
その先端がアノードガス加湿槽81内の水層中に達する
ところまで挿入され,アノードガス排出用の配管802
は、同加湿槽81の水層より上の位置に連結されてい
る。
Further, pipes 801 to 804 for supplying and discharging the anode gas and the cathode gas are connected to the upper portion of the side surface of the main body 80a. The pipe 801 for supplying the anode gas is
The tip is inserted until it reaches the water layer in the anode gas humidification tank 81, and the anode gas discharge pipe 802 is inserted.
Is connected to a position above the water layer of the humidification tank 81.

【0061】また、これと同様の形態でカソードガス加
湿槽82に、配管803及び配管804が設けられてい
る。また、装置本体80a底面には、燃料電池に冷却水
を供給するポンプが介挿された配管805がアノードガ
ス加湿槽81と連通して連結され、天板80bには、燃
料電池からの冷却水を回収する配管806がカソードガ
ス加湿槽82と連通して連結され、本体80a側面上部
には、同槽82に対して制御弁817が介設された補給
水の導入用の配管807が連結されている。
In the same manner as above, a pipe 803 and a pipe 804 are provided in the cathode gas humidifying tank 82. In addition, a pipe 805 in which a pump for supplying cooling water to the fuel cell is inserted is connected to the bottom surface of the device main body 80a in communication with the anode gas humidification tank 81, and the cooling water from the fuel cell is connected to the top plate 80b. A pipe 806 for recovering water is connected to and connected to the cathode gas humidifying tank 82, and a pipe 807 for introducing makeup water with a control valve 817 interposed between the tank 82 and the upper side of the main body 80 a is connected. ing.

【0062】さらに、本体80a側面下部には制御弁8
18の挿設された連通管808がカソードガス加湿槽8
1とアノードガス加湿槽82の水層を連通するよう連結
されている。また、天板80bには、第一圧力測定口8
09及び第二圧力測定口810が開設され、各圧力測定
口には圧力センサが設置されて、アノードガス加湿槽8
1及びカソードガス加湿槽82のガス圧を測定できるよ
うになっている。
Further, a control valve 8 is provided on the lower side of the main body 80a.
The communication pipe 808 inserted therein is the cathode gas humidification tank 8.
1 and the water layer of the anode gas humidifying tank 82 are connected to each other. Also, the first pressure measurement port 8 is provided on the top plate 80b.
09 and a second pressure measurement port 810 are opened, and a pressure sensor is installed at each pressure measurement port, and the anode gas humidification tank 8 is opened.
1 and the gas pressure in the cathode gas humidifying tank 82 can be measured.

【0063】加湿によって失われた水の補給は、配管8
07に挿設された制御弁817を加湿装置内に設けられ
たセンサ(不図示)からの信号により、制御して適宜な
される。また、連通管808の制御弁818は通常は開
かれて、両槽の水が流通するようにされているが、両槽
のガス圧に大きな差が生じた時には、制御弁818を閉
じてアノードガスとカソードガスとが混合しないように
される。この制御は、前記の各圧力センサで各加湿槽の
ガス圧を検知し、そして、その信号を受けて各圧力計測
器841,842で圧力を計測した計測結果に基づい
て、アノードガス加湿槽81内のガス圧とカソードガス
加湿槽82内のガス圧との差圧を差圧演算器843で演
算処理し、その演算結果に基づき制御器844で制御弁
が閉じられる。
The replenishment of water lost by humidification is performed by the pipe 8
The control valve 817 inserted into the humidifier 07 is appropriately controlled by a signal from a sensor (not shown) provided in the humidifier. The control valve 818 of the communication pipe 808 is normally opened so that water in both tanks flows. However, when there is a large difference between the gas pressures in both tanks, the control valve 818 is closed and the anode is closed. The gas and the cathode gas are prevented from mixing. This control detects the gas pressure of each humidifying tank with each pressure sensor, and receives the signal to measure the pressure with each of the pressure measuring devices 841 and 842, and based on the measurement result, the anode gas humidifying tank 81 The differential pressure between the internal gas pressure and the gas pressure in the cathode gas humidifying tank 82 is processed by the differential pressure calculator 843, and the control valve is closed by the controller 844 based on the calculation result.

【0064】アノードガスは、アノードガス供給用の配
管801からアノードガス加湿槽81の水層中に吹き込
まれ、同槽81の上部空間からアノードガス排出用の配
管803を通って、燃料電池に供給されるようになって
いる。このようなアノードガスの流れを図中の細実線矢
印にて示す。一方、カソードガスは、カソードガス供給
用の配管803からカソードガス加湿槽82の水層中に
吹き込まれ、同槽82の上部空間からカソードガス排出
用の配管804を通って、燃料電池に供給されるように
なっている。このようなカソードガスの流れを図中の点
線矢印にて示す。
The anode gas is blown into the water layer of the anode gas humidifying tank 81 from the anode gas supply pipe 801, and is supplied to the fuel cell from the upper space of the tank 81 through the anode gas discharge pipe 803. It is supposed to be. Such a flow of the anode gas is indicated by a thin solid line arrow in the figure. On the other hand, the cathode gas is blown into the water layer of the cathode gas humidification tank 82 from the cathode gas supply pipe 803, and is supplied to the fuel cell from the upper space of the tank 82 through the cathode gas discharge pipe 804. It has become so. Such a flow of the cathode gas is indicated by a dotted arrow in the figure.

【0065】このような加湿装置80によると実施形態
2の加湿装置70と同様の効果を有すると共に、双方の
反応ガスを同時に加湿するので、電池の運転をより安定
してなすことが可能となる。 ★ その他 前記配管805及び配管806とは、前述の位置に限定
されず、共にカソードガス加湿槽に或はアノードガス加
湿槽に開設することもできる。
According to such a humidifying device 80, the same effect as that of the humidifying device 70 of the second embodiment is obtained, and both reaction gases are humidified at the same time, so that the operation of the battery can be more stably performed. . * Others The piping 805 and the piping 806 are not limited to the above-mentioned positions, and may be both provided in a cathode gas humidifying tank or an anode gas humidifying tank.

【0066】また、前記連通管808内部には、前記の
泡切フィルタを取り付けて各ガス加湿槽の水層に導入さ
れる各反応ガスが各ガス加湿槽に跨って混入しないよう
にすることもできる。 〔実施の形態4〕本実施の形態に係る固体高分子型燃料
電池システムは、実施の形態3のシステムと同様である
が、加湿装置90の内部構造が加湿装置80と異なって
いる。
In addition, the bubble removing filter may be attached to the inside of the communication pipe 808 so that each reaction gas introduced into the water layer of each gas humidifying tank is prevented from being mixed over each gas humidifying tank. it can. [Fourth Embodiment] A polymer electrolyte fuel cell system according to the present embodiment is the same as the system of the third embodiment, except that the internal structure of the humidifier 90 is different from that of the humidifier 80.

【0067】図13は、加湿装置90の内部構造を示す
概略断面図である。加湿装置90の内部空間950が仕
切板93で仕切られて、アノードガス加湿槽91とカソ
ードガス加湿槽92との2つの槽が形成されている点
は、加湿装置80と同様であるが、さらに、アノードガ
ス加湿槽91は仕切板910で2つの第1加湿槽911
と第2加湿槽912とに仕切られ、カソードガス加湿槽
92は仕切板920で2つの第3加湿槽921と第4加
湿槽922とに仕切られ、各槽には所定量の純水が貯蔵
されているそして、第1及び第2加湿槽は、仕切板91
0の下端に開設された通路910aにより連通され、第
3加湿槽と第4加湿槽のは、仕切板920の下端に開設
された通路920aにより連通されている。
FIG. 13 is a schematic sectional view showing the internal structure of the humidifying device 90. It is the same as the humidifier 80 in that the internal space 950 of the humidifier 90 is partitioned by a partition plate 93 to form two tanks, an anode gas humidifier tank 91 and a cathode gas humidifier tank 92. The anode gas humidifying tank 91 is divided into two first humidifying tanks 911 by a partition plate 910.
And a second humidification tank 912, and the cathode gas humidification tank 92 is divided by a partition plate 920 into two third humidification tanks 921 and a fourth humidification tank 922, and each tank stores a predetermined amount of pure water. The first and second humidification tanks are
The third humidification tank and the fourth humidification tank are communicated by a passage 910a opened at the lower end of the partition 920.

【0068】また、アノードガス加湿槽91とカソード
ガス加湿槽92とは下端部で制御弁931が介設された
連通管930によって連通されている。この制御弁93
1は、実施の形態3の制御弁818と同様にコントロー
ルされ、これによって第1〜第4加湿槽の水位が同等に
保たれるようになっている。アノードガスは、アノード
ガス供給用の配管901から第1加湿槽911の水層中
に吹き込まれ、更に第1加湿槽911の上部空間から第
2加湿槽912の水層中に吹き込まれ、第2加湿槽91
2の上部空間からアノードガス排出用の配管903を通
って、燃料電池に供給されるようになっている。このよ
うなアノードガスの流れを図中の細実線矢印にて示す。
The anode gas humidifying tank 91 and the cathode gas humidifying tank 92 are connected at their lower ends by a communication pipe 930 provided with a control valve 931. This control valve 93
1 is controlled in the same manner as the control valve 818 of the third embodiment, whereby the water levels of the first to fourth humidification tanks are kept equal. The anode gas is blown into the water layer of the first humidification tank 911 from the anode gas supply pipe 901, and further blown into the water layer of the second humidification tank 912 from the upper space of the first humidification tank 911, Humidification tank 91
The fuel cell is supplied from the upper space of No. 2 to the fuel cell through the anode gas discharge pipe 903. Such a flow of the anode gas is indicated by a thin solid line arrow in the figure.

【0069】一方、カソードガスは、カソードガス供給
用の配管904から第3加湿槽921の水層中に吹き込
まれ、更に第3加湿槽921の上部空間から第4加湿槽
922の水層中に吹き込まれ、第4加湿槽912の上部
空間からカソードガス排出用の配管906を通って、燃
料電池に供給されるようになっている。このようなカソ
ードガスの流れを図中の点線矢印にて示す。
On the other hand, the cathode gas is blown into the water layer of the third humidification tank 921 from the pipe 904 for supplying the cathode gas, and further from the upper space of the third humidification tank 921 to the water layer of the fourth humidification tank 922. The fuel gas is blown and supplied from the upper space of the fourth humidification tank 912 to the fuel cell through the pipe 906 for discharging the cathode gas. Such a flow of the cathode gas is indicated by a dotted arrow in the figure.

【0070】本実施の形態の固体高分子型燃料電池シス
テムは、実施の形態3のシステムと同様の効果を有する
と共に、加湿装置90では各反応ガスを水と連続的に2
回接触させることで加湿されるので、反応ガスの加湿は
より進行されることになり、安定した加湿を行うことが
可能となる。 〔変形例〕以上、本発明を実施の形態に基づいて説明し
てきたが、本発明の内容が、上述の実施の形態に限定さ
れないのは勿論であり、以下のようなものも本発明に含
まれる。
The polymer electrolyte fuel cell system according to the present embodiment has the same effects as the system according to the third embodiment, and the humidifier 90 converts each reaction gas into water continuously with water.
Since the contact gas is humidified by being contacted twice, the humidification of the reaction gas is further advanced, and stable humidification can be performed. [Modifications] As described above, the present invention has been described based on the embodiments. However, it goes without saying that the contents of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and the following are also included in the present invention. It is.

【0071】(a) 上記実施形態1〜4においては、
内部マニホールド方式の燃料電池の例を示したが、外部
マニホールド方式の燃料電池においても同様に実施する
ことができる。 (b) 実験2の20μmの膜厚の電解質膜を用い室温
で運転する場合、アノードガス及びカソードガスは0℃
の露点となる状態の水蒸気量を含有したものでも運転可
能であった。
(A) In the first to fourth embodiments,
Although the example of the fuel cell of the internal manifold type has been described, the present invention can be similarly applied to a fuel cell of the external manifold type. (B) When operating at room temperature using the electrolyte membrane having a thickness of 20 μm in Experiment 2, the anode gas and the cathode gas are 0 ° C.
It could be operated even if it contained a water vapor amount at a dew point.

【0072】(c) 各実験で用いた電解質膜の素材
は、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を主な素材と
していたが、他のイオン交換樹脂を主な素材として用い
た場合でも、同様の結果が得られた。 (d) 上記実施の形態1〜4のシステムにおいて、冷
却水が燃料電池に至る手前に熱交換器(不図示)を設置
して、燃料電池に供される冷却水の水温を調整できるよ
うにしてもよい。。
(C) Although the main material of the electrolyte membrane used in each experiment was a perfluorocarbon sulfonic acid resin, similar results were obtained when another ion exchange resin was used as the main material. Was done. (D) In the systems of the first to fourth embodiments, a heat exchanger (not shown) is installed before the cooling water reaches the fuel cell so that the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell can be adjusted. You may. .

【0073】(e) 上記実施の形態2〜4の加湿装置
において、水槽中に反応ガスをバブリングする際、気泡
は微小である方が加湿状態が進行するので、反応ガスを
導入する配管の開口部分に微細な網目状のフィルタを設
けることもできる。 (f) 上記実施の形態2の加湿装置では、冷却水槽と
アノードガス加湿槽は各々泡切フィルタによって仕切ら
れ、水のみが流通し反応ガスが各槽に跨って混入しない
ようにしているが、混入しても燃料電池の運転に支障が
なければ、この泡切フィルタは設置せずに、その代わり
に水が流通する通路を仕切板の下端部分に開設すること
も可能である。
(E) In the humidifier of the second to fourth embodiments, when bubbling the reaction gas into the water tank, the smaller the bubbles, the more the humidification state progresses. A fine mesh filter can be provided in the portion. (F) In the humidifier of the second embodiment, the cooling water tank and the anode gas humidifying tank are each separated by a bubble filter, so that only water flows and the reaction gas is prevented from entering the tanks. If the mixing does not hinder the operation of the fuel cell, the bubble elimination filter may not be provided, and instead, a passage through which water flows may be opened at the lower end of the partition plate.

【0074】[0074]

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、電解質膜を介してアノードとカソードが配されたセ
ルと、セパレータ板が交互に積層された構成であって、
前記セパレータ板と前記アノードの間にはアノードガス
チャネルが、前記セパレータ板と前記カソードの間には
カソードガスチャネルがそれぞれアノード或はカソード
と密接して設けられた固体高分子型燃料電池において、
前記電解質膜の膜厚を3μm〜40μmと薄いものを用
いることにより、低い露点の反応ガスを用いて発電する
ことが可能となり、加湿制御の温度幅が広がり加湿制御
を容易に行うことができる。
As described above, according to the present invention, a cell in which an anode and a cathode are arranged via an electrolyte membrane and a separator plate are alternately laminated,
In a polymer electrolyte fuel cell, an anode gas channel is provided between the separator plate and the anode, and a cathode gas channel is provided between the separator plate and the cathode in close contact with the anode or the cathode, respectively.
By using a thin electrolyte membrane having a thickness of 3 μm to 40 μm, power can be generated using a reaction gas having a low dew point, and the temperature range of the humidification control can be widened to facilitate the humidification control.

【0075】一方、電解質膜を介してアノードとカソー
ドが配されたセルと、セパレータ板が交互に積層される
と共に、前記セパレータ板と前記アノード及びカソード
間にはガスチャネルが形成され、且つ、冷却水流通路が
開設された固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型
燃料電池に外設された水貯蔵部から冷却水を当該冷却水
流通路に循環供給する冷却水循環手段と、前記水貯蔵部
にアノードガス及びカソードガスの少なくとも一方を導
入して加湿する加湿手段とを有する固体高分子型燃料電
池システムにおいては、温水を得るための熱源やそのた
めの動力装置を別途設置する必要がないので電池のシス
テム構成を簡略にすることができる。
On the other hand, cells in which an anode and a cathode are arranged via an electrolyte membrane and separator plates are alternately stacked, and a gas channel is formed between the separator plate and the anode and the cathode. A polymer electrolyte fuel cell provided with a water flow passage, cooling water circulating means for circulating cooling water from a water storage unit provided outside the polymer electrolyte fuel cell to the cooling water flow passage, and the water storage unit In a polymer electrolyte fuel cell system having a humidifying means for introducing and humidifying at least one of an anode gas and a cathode gas into a fuel cell, since it is not necessary to separately install a heat source for obtaining hot water or a power unit therefor, Can be simplified.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施の形態1に係る固体高分子型燃料電池1の
主要部分の構成を示す分解斜視図である。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell 1 according to a first embodiment.

【図2】固体高分子型燃料電池1の主要部分の切断図で
ある。
FIG. 2 is a cutaway view of a main part of the polymer electrolyte fuel cell 1;

【図3】実施の形態1に係る滞留部の外観図である。FIG. 3 is an external view of a retaining section according to the first embodiment.

【図4】実験1の結果であって、セル1個当たりの電圧
のアノードガス加湿温度特性を表す図である。
FIG. 4 is a diagram showing the results of Experiment 1, showing the anode gas humidification temperature characteristics of the voltage per cell.

【図5】実験1の結果であって、セル1個当たりの内部
抵抗値のアノードガス加湿温度特性を表す図である。
FIG. 5 is a diagram showing the results of Experiment 1 and showing the anode gas humidification temperature characteristics of the internal resistance value per cell.

【図6】実験2の結果であって、アノードガス及びカソ
ードガス共に無加湿で運転した場合のセル電圧の電流密
度特性を表す図である。
FIG. 6 is a diagram showing the results of Experiment 2 and showing the current density characteristics of the cell voltage when both the anode gas and the cathode gas are operated without humidification.

【図7】実験3の方法を表す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a method of Experiment 3.

【図8】実験3の結果であって、電解質膜の膜厚とガス
クロスリーク量との関係を表す図である。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the thickness of an electrolyte membrane and the amount of gas cross leak as a result of Experiment 3.

【図9】実施の形態2に係る加湿装置の構成を示す外観
図である。
FIG. 9 is an external view showing a configuration of a humidifier according to Embodiment 2.

【図10】実施の形態2に係る加湿装置の構成を示す概
略断面図である。
FIG. 10 is a schematic sectional view showing a configuration of a humidifying device according to a second embodiment.

【図11】実施の形態3に係る加湿装置の外観図であ
る。
FIG. 11 is an external view of a humidifier according to Embodiment 3.

【図12】実施の形態3に係る加湿装置の内部構造を表
す概略図である。
FIG. 12 is a schematic diagram illustrating an internal structure of a humidifier according to Embodiment 3.

【図13】実施の形態4に係る加湿装置の内部構造を表
す概略図である。
FIG. 13 is a schematic diagram illustrating an internal structure of a humidifier according to Embodiment 4.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 固体高分子型燃料電池 10 セル 11 電解質膜 12 アノード 13 カソード 20,30 セパレータ板 21 アノードガスチャネル 31 カソ−ドガスチャネル 40,41 集電体 50,60 シール材 110 冷却プレート 70 加湿装置 71 アノードガス加湿槽 72 冷却水槽 73 仕切板 74 泡切フィルタ 80 加湿装置 81 アノードガス加湿槽 82 カソードガス加湿槽 83 仕切板 808 連通管 90 加湿装置 91 アノードガス加湿槽 911 第1加湿槽 912 第2加湿槽 92 カソードガス加湿槽 921 第3加湿槽 922 第4加湿槽 93,910,920 仕切板 101 水滞留部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid polymer fuel cell 10 Cell 11 Electrolyte membrane 12 Anode 13 Cathode 20, 30 Separator plate 21 Anode gas channel 31 Cathode gas channel 40, 41 Current collector 50, 60 Sealing material 110 Cooling plate 70 Humidifier 71 Anode Gas humidification tank 72 Cooling water tank 73 Partition plate 74 Bubble cut filter 80 Humidifier 81 Anode gas humidification tank 82 Cathode gas humidification tank 83 Partition plate 808 Communication pipe 90 Humidifier 91 Anode gas humidification tank 911 First humidification tank 912 Second humidification tank 92 Cathode gas humidification tank 921 Third humidification tank 922 Fourth humidification tank 93, 910, 920 Partition plate 101 Water retention section

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01M 8/10 H01M 8/10 (72)発明者 礒野 隆博 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 濱田 陽 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 三宅 泰夫 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 門脇 正天 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 谷口 俊輔 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 中岡 透 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 金子 実 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 安尾 耕司 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification symbol FI H01M 8/10 H01M 8/10 (72) Inventor Takahiro Isono 2-5-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka SANYO Electric Co., Ltd. Inside the company (72) Inventor Yo Hamada 2-5-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka Sanyo Electric Co., Ltd. (72) Yasuo Miyake 2-5-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka Sanyo Inside Electric Co., Ltd. (72) Masanori Kadowaki 2-5-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka Sanyo Electric Co., Ltd. (72) Shunsuke Taniguchi 2-5-2-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka No. Sanyo Electric Co., Ltd. (72) Inventor Toru Nakaoka 2-5-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka Pref. Sanyo Electric Co., Ltd. (72) Minoru Kaneko 2-chome, Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka No. 5 Sanyo Electric In the formula company (72) inventor depreciation tail Koji Osaka Prefecture Moriguchi Keihanhondori 2-chome No. 5 No. 5 Sanyo Electric Co., Ltd. in

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電解質膜を介してアノードとカソードが
配されたセルと、当該セルを挟持する挟持部材とからな
り、当該挟持部材と前記アノード及びカソードの間には
ガスチャネルが設けられた固体高分子型燃料電池におい
て、 前記電解質膜の厚みが、3〜40μmであることを特徴
とする固体高分子型燃料電池。
1. A solid body comprising: a cell in which an anode and a cathode are arranged via an electrolyte membrane; and a holding member for holding the cell, wherein a solid gas channel is provided between the holding member and the anode and the cathode. In a polymer fuel cell, the thickness of the electrolyte membrane is 3 to 40 μm.
【請求項2】 前記固体高分子型燃料電池は、更にアノ
ードガス及びカソードガスの少なくとも一方を室温相当
の水に接触させて加湿する加湿手段を有することを特徴
とする請求項1記載の固体高分子型燃料電池。
2. The solid polymer fuel cell according to claim 1, further comprising humidifying means for humidifying at least one of the anode gas and the cathode gas by bringing the gas into contact with water at room temperature. Molecular fuel cell.
【請求項3】 前記固体高分子型燃料電池は、更に電池
反応によって生成する生成水を回収する生成水回収手段
と、 当該生成水回収手段により回収した生成水を用いてアノ
ードガス及びカソードガスの少なくとも一方を加湿する
加湿手段と、 を有することを特徴とする請求項1記載の固体高分子型
燃料電池。
3. The polymer electrolyte fuel cell further includes a product water recovery unit configured to recover product water generated by a cell reaction, and an anode gas and a cathode gas using the product water recovered by the product water recovery unit. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, further comprising: humidifying means for humidifying at least one of them.
【請求項4】 請求項1記載の固体高分子型燃料電池の
運転方法であって、 作動温度を室温相当とし、アノードガス及びカソードガ
スを共に無加湿とすることを特徴とする固体高分子型燃
料電池の運転方法。
4. The method for operating a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the operating temperature is equivalent to room temperature, and both the anode gas and the cathode gas are non-humidified. How to operate the fuel cell.
【請求項5】 電解質膜を介してアノードとカソードが
配されたセルと、セパレータ板が交互に積層されると共
に、前記セパレータ板と前記アノード及びカソード間に
はガスチャネルが形成され、且つ、冷却水流通路が開設
された固体高分子型燃料電池と、 前記固体高分子型燃料電池に外設された水貯蔵部から冷
却水を当該冷却水流通路に循環供給する冷却水循環手段
と、 前記水貯蔵部にアノードガス及びカソードガスの少なく
とも一方を導入して加湿する加湿手段と、 を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池システ
ム。
5. A cell in which an anode and a cathode are arranged via an electrolyte membrane and separator plates are alternately stacked, and a gas channel is formed between the separator plate and the anode and the cathode, and cooling is performed. A polymer electrolyte fuel cell provided with a water flow passage; cooling water circulating means for circulating cooling water from a water storage unit provided externally to the polymer electrolyte fuel cell to the cooling water flow passage; and the water storage unit Humidifying means for introducing and humidifying at least one of an anode gas and a cathode gas into the polymer electrolyte fuel cell system.
【請求項6】 前記固体高分子型燃料電池システムは、
更に、 電池反応による生成水を水貯蔵部に送り込む生成水回収
手段を有することを特徴とする請求項5記載の固体高分
子型燃料電池システム。
6. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 1,
6. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 5, further comprising a product water recovery unit for sending water generated by the battery reaction to the water storage unit.
【請求項7】 前記固体高分子型燃料電池システムは、
更に、 前記水貯蔵部の水を用いて水蒸気を発生し、燃料ガスを
水蒸気改質することによって水素リッチなガスを生成す
る改質装置を備えることを特徴とする請求項5又は6記
載の固体高分子型燃料電池システム。
7. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 1,
The solid according to claim 5, further comprising a reformer that generates steam using the water in the water storage unit and steam reforms the fuel gas to generate a hydrogen-rich gas. Polymer fuel cell system.
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